教程 - 图像教程

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2023-12-01

原文：Image tutorial

启动命令

首先，让我们启动 IPython。它是 Python 标准提示符的最好的改进，它与 Matplotlib 配合得相当不错。在 shell 或 IPython Notebook 上都可以启动 IPython。

随着 IPython 启动，我们现在需要连接到 GUI 事件循环。它告诉 IPython 在哪里（以及如何显示）绘图。要连接到 GUI 循环，请在 IPython 提示符处执行%matplotlib魔法。在 IPython 的 GUI 事件循环文档中有更多的细节。

如果使用 IPython Notebook，可以使用相同的命令，但人们通常以特定参数使用%matplotlib：

In [1]: %matplotlib inline

这将打开内联绘图，绘图图形将显示在笔记本中。这对交互性有很重要的影响。对于内联绘图，在单元格下方的单元格中输出绘图的命令不会影响绘图。例如，从创建绘图的单元格下面的单元格更改颜色表是不可能的。但是，对于其他后端，例如 qt4，它们会打开一个单独的窗口，那些创建绘图的单元格下方的单元格将改变绘图 - 它是一个内存中的活对象。

本教程将使用matplotlib的命令式绘图接口pyplot。该接口维护全局状态，并且可用于简单快速地尝试各种绘图设置。另一种是面向对象的接口，这也非常强大，一般更适合大型应用程序的开发。如果你想了解面向对象接口，使用上的常见问题是一个用于起步的不错的页面。现在，让我们继续使用命令式方式：

In [2]: import matplotlib.pyplot as plt
In [3]: import matplotlib.image as mpimg
In [4]: import numpy as np

将图像数据导入到 NumPy 数组

加载图像数据由 Pillow 库提供支持。本来，matplotlib只支持 PNG 图像。如果本机读取失败，下面显示的命令会回退到 Pillow。

此示例中使用的图像是 PNG 文件，但是请记住你自己的数据的 Pillow 要求。

下面是我们要摆弄的图片：

图像教程 - 图1

它是一个 24 位 RGB PNG 图像（每个 R，G，B 为 8 位）。根据你获取数据的位置，你最有可能遇到的其他类型的图像是 RGBA 图像，拥有透明度或单通道灰度（亮度）的图像。你可以右键单击它，选择Save image as（另存为）为本教程的剩余部分下载到你的计算机。

现在我们开始…

In [5]: img=mpimg.imread('stinkbug.png')
Out[5]:
array([[[ 0.40784314,  0.40784314,  0.40784314],
        [ 0.40784314,  0.40784314,  0.40784314],
        [ 0.40784314,  0.40784314,  0.40784314],
        ...,
        [ 0.42745098,  0.42745098,  0.42745098],
        [ 0.42745098,  0.42745098,  0.42745098],
        [ 0.42745098,  0.42745098,  0.42745098]],
       ...,
       [[ 0.44313726,  0.44313726,  0.44313726],
        [ 0.4509804 ,  0.4509804 ,  0.4509804 ],
        [ 0.4509804 ,  0.4509804 ,  0.4509804 ],
        ...,
        [ 0.44705883,  0.44705883,  0.44705883],
        [ 0.44705883,  0.44705883,  0.44705883],
        [ 0.44313726,  0.44313726,  0.44313726]]], dtype=float32)

注意这里的dtype - float32。 Matplotlib 已将每个通道的8位数据重新定标为 0.0 和 1.0 之间的浮点数。作为旁注，Pillow 可以使用的唯一数据类型是uint8。 Matplotlib 绘图可以处理float32和uint8，但是对于除 PNG 之外的任何格式的图像，读取/写入仅限于uint8数据。为什么是 8 位呢？大多数显示器只能渲染每通道 8 位的颜色渐变。为什么他们只能渲染每通道 8 位呢？因为这会使所有人的眼睛可以看到。更多信息请见（从摄影的角度）：Luminous Landscape 位深度教程。

每个内部列表表示一个像素。这里，对于 RGB 图像，有 3 个值。由于它是一个黑白图像，R，G 和 B 都是类似的。 RGBA（其中 A 是阿尔法或透明度）对于每个内部列表具有 4 个值，而且简单亮度图像仅具有一个值（因此仅是二维数组，而不是三维数组）。对于 RGB 和 RGBA 图像，matplotlib支持float32和uint8数据类型。对于灰度，matplotlib只支持float32。如果你的数组数据不符合这些描述之一，则需要重新缩放它。

将 NumPy 数组绘制为图像

所以，你将数据保存在一个numpy数组（通过导入它，或生成它）。让我们渲染它吧。在 Matplotlib 中，这是使用imshow()函数执行的。这里我们将抓取plot对象。这个对象提供了一个简单的方法来从提示符处理绘图。

In [6]: imgplot = plt.imshow(img)

图像教程 - 图2

你也可以绘制任何 NumPy 数组。

对图像绘图应用伪彩色方案

伪彩色可以是一个有用的工具，用于增强对比度和更易于可视化你的数据。这在使用投影仪对你的数据进行演示时尤其有用 - 它们的对比度通常很差。

伪彩色仅与单通道，灰度，亮度图像相关。我们目前有一个RGB图像。由于R，G 和 B 都是相似的（见上面或你的数据），我们可以只选择一个通道的数据：

In [7]: lum_img = img[:,:,0]

这是数组切片，更多信息请见NumPy 教程。

In [8]: plt.imshow(lum_img)

图像教程 - 图3

现在，亮度（2D，无颜色）图像应用了默认颜色表（也称为查找表，LUT）。默认值称为jet。有很多其他方案可以选择。

In [9]: plt.imshow(lum_img, cmap="hot")

图像教程 - 图4

请注意，你还可以使用set_cmap()方法更改现有绘图对象上的颜色：

In [10]: imgplot = plt.imshow(lum_img)
In [11]: imgplot.set_cmap('spectral')

图像教程 - 图5

注
但是，请记住，在带有内联后端的 IPython notebook 中，你不能对已经渲染的绘图进行更改。如果你在一个单元格中创建了imgplot，你不能在以后的单元格中调用set_cmap()，并且改变前面的绘图。请确保你在相同单元格中一起输入这些命令。plt命令不会更改先前单元格的绘图。

有许多可选的其它颜色表，请见颜色表的列表和图像。

颜色刻度参考

了解颜色代表什么值对我们很有帮助。我们可以通过添加颜色条来做到这一点。

In [12]: imgplot = plt.imshow(lum_img)
In [13]: plt.colorbar()

图像教程 - 图6

这会为你现有的图形添加一个颜色条。如果你更改并切换到不同的颜色映射，则不会自动更改 - 你必须重新创建绘图，并再次添加颜色条。

检查特定数据范围

有时，你想要增强图像的对比度，或者扩大特定区域的对比度，同时牺牲变化不大，或者无所谓的颜色细节。找到有趣区域的最好工具是直方图。要创建我们的图像数据的直方图，我们使用hist()函数。

In [14]: plt.hist(lum_img.ravel(), bins=256, range=(0.0, 1.0), fc='k', ec='k')

图像教程 - 图7

通常，图像的『有趣』部分在峰值附近，你可以通过剪切峰值上方和/或下方的区域获得额外的对比度。在我们的直方图中，看起来最大值处没有太多有用的信息（图像中有很多不是白色的东西）。让我们调整上限，以便我们有效地『放大』直方图的一部分。我们通过将clim参数传递给imshow来实现。你也可以通过对图像绘图对象调用set_clim()方法来做到这一点，但要确保你在使用 IPython Notebook 的时候，和plot命令在相同的单元格中执行 - 它不会改变之前单元格的图。

In [15]: imgplot = plt.imshow(lum_img, clim=(0.0, 0.7))

图像教程 - 图8

数组插值方案

插值根据不同的数学方案计算像素『应有』的颜色或值。发生这种情况的一个常见的场景是调整图像的大小。像素的数量会发生变化，但你想要相同的信息。由于像素是离散的，因此存在缺失的空间。插值就是填补这个空间的方式。这就是当你放大图像时，你的图像有时会出来看起来像素化的原因。当原始图像和扩展图像之间的差异较大时，效果更加明显。让我们加载我们的图像并缩小它。我们实际上正在丢弃像素，只保留少数几个像素。现在，当我们绘制它时，数据被放大为你屏幕的大小。由于旧的像素不再存在，计算机必须绘制像素来填充那个空间。

我们将使用用来加载图像的 Pillow 库来调整图像大小。

In [16]: from PIL import Image
In [17]: img = Image.open('../_static/stinkbug.png')
In [18]: img.thumbnail((64, 64), Image.ANTIALIAS) # resizes image in-place
In [19]: imgplot = plt.imshow(img)

图像教程 - 图9

这里我们使用默认插值，双线性，因为我们没有向imshow()提供任何插值参数。

让我们试试一些其它的东西：

最邻近

In [20]: imgplot = plt.imshow(img, interpolation="nearest")

图像教程 - 图10

双立方

In [21]: imgplot = plt.imshow(img, interpolation="bicubic")

图像教程 - 图11

双立方插值通常用于放大照片 - 人们倾向于模糊而不是过度像素化。